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Bimetallic nanoparticles synthetized by pulsed laser ablation in liquids as a contrast agent for dual imaging by CT and MRI.

Simão, Teresa (2016). Bimetallic nanoparticles synthetized by pulsed laser ablation in liquids as a contrast agent for dual imaging by CT and MRI. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 126 p.

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Résumé

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Les tumeurs de la prostate et du sein ont l’incidence la plus élevée parmi les cancers au Canada. Dans les deux cas, les examens par TDM et IRM sont essentiels pour établir le diagnostic, pour planifier le traitement et pour le suivi de la réponse de ces cancers à la thérapie. Cependant, plusieurs d’injections d’agents de contraste (AC) intraveineux, constitués d’éléments distincts, sont nécessaires au cours de ces examens. Par conséquent, un AC pour l’imagerie bimodale serait avantageux pour diminuer la fréquence d’injection des différents ACs. Les nanoparticules (NPs) sont des matériaux prometteurs pour la conception de ces AC multimodaux. Toutefois, la synthèse de NPs pour l'imagerie multimodale peut être un processus complexe et implique l'utilisation de nombreux produits chimiques difficiles à éliminer. Par conséquent, l’emploi de procédés plus simples et à base de solutions aqueuses a un potentiel pour augmenter la pureté des NPs. L’ablation laser en milieu liquide offre ces avantages, car elle permet la production de NPs bimétalliques en une seule étape en utilisant des solutions aqueuses. Par conséquent, cette thèse est dévouée à explorer le potentiel de l’ablation laser en milieu liquide pour produire des NPs d’Au-Gd et d’Au-Mn ainsi qu’à étudier le potentiel de ces matériaux pour des applications comme AC pour la TDM et l’IRM. L’ablation laser d'une cible d’Au-Gd dans des solutions aqueuses contenant des concentrations variées d’hydroxyde de sodium, avec différentes fluences, ou en présence de polyéthylène glycol, a produit un réseau de Gd2O3 contenant des petites NPs d’or. Toutefois, la forme de cette structure n’est pas adaptée pour un AC pour l’imagerie in vivo. Par contre, l’ablation d’une cible d’Au-Mn dans une solution contenant de d’hydroxyde de sodium (pH=11), a permis la synthèse de NPs d’Au-MnOx, dans lesquelles de petites NPs d’or (4,8 nm) ont été partiellement entourées par une couche mince d'oxyde de Mn (0,3 à 1,3 nm), tel que démontré par HAADF HR-STEM et XPS. Ce revêtement a démontré une similitude chimique avec les oxydes de référence Mn2O3 et MnO2, tel que déterminé par XAFS. Bien que les NPs d’Au-MnOx ont une structure intéressante et ont été stables en solution sans l'ajout de ligands de stabilisation, l'état d’oxydation de la couche de manganèse est trop élevé pour permettre l'application de ce matériau comme AC pour l'IRM. Par conséquent, une autre stratégie basée sur la fonctionnalisation des NPs d’or produites par ablation laser dans l’eau avec des chélates de manganèse a été poursuivie. Dans cette étude, les NPs d’or ont été produites par ablation laser dans une solution alcaline, et stériquement stabilisées en utilisant un petit excès de PEG. Enfin, les complexes DMSA-DTPA ont été ajoutés aux NPs d’or recouvertes avec du PEG, et ensuite les ions de manganèse ont été ajoutés à ces NPs pour produire un AC bimodal. La procédure de fonctionnalisation a été suivie par spectroscopie d’absorption par UV-visible et DLS pour confirmer la stabilité colloïdale des NPs tout au long de toute la procédure. Les Au@PEG-Mn2+ NPs ont un diamètre hydrodynamique final de 36,5 nm et une dispersion de taille de 0,2. Une caractérisation plus poussée des Au@PEG-Mn2+ NPs et des NPs d’or par TEM, XPS, FTIR et 1H RMN a mis en évidence la pureté des surfaces des NPs d’or et l'addition progressive des différentes molécules. Enfin, les Au NPs@PEG-Mn2+ ont été utilisées pour améliorer le contraste de l'image à la fois par TDM et par IRM, in vitro et in vivo, en utilisant un modèle de tumeur créé dans des embryons de poulet. En outre, l'injection intraveineuse des Au NPs@PEG-Mn2+ dans des souris a montré la rétention des NPs dans la circulation sanguine pendant 90 minutes, en accord avec la formation d'un revêtement polymérique autour des NPs d’or. Pour conclure, au cours de ce travail, nous avons démontré le potentiel de l’ablation laser en milieu liquide pour produire des NPs d’or sans surfactants, qui peuvent être avantageusement utilisées comme ACs pour la TDM. Concernant la production d’un AC bimodale, nous avons conclu que la stratégie la plus pratique pour contrôler l’oxydation du manganèse est de fonctionnaliser la surface des NPs d’or avec des chélates de manganèse.

Abstract

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Prostate and breast tumours have been the cancers with the highest incidence in Canada during the last decades. CT and MRI examinations are both crucial to establish the diagnosis, to plan the treatment and to follow up the response of these cancers to the therapy. However, multiple injections of intravenous contrast agents (CAs), made of different chemical compounds, are required during this period. Thus, a dual-modality CA with extended blood half-life would be beneficial to avoid multiple administrations of CA. Nanoparticles (NPs) are an advantageous template for the design of multimodal CAs. However, the synthesis of NPs for multimodal imaging can be a complex process, and requires often the utilization of several chemicals. Therefore, the utilization of simpler and aqueous-based procedures would be beneficial to produce purer NPs. Pulsed laser ablation in liquid (PLAL) offers these advantages, as composite nanostructures can be synthetized in a single-step using aqueous solutions. Hence, the objective of this thesis is to explore the potential of PLAL to produce Au-Gd and Au-Mn NPs, and to study their application as a dual imaging CA for CT and MRI. Pulsed laser ablation of a Au-Gd target in aqueous solutions containing various concentrations of NaOH, or using different fluences, and in the presence of polyethylene glycol, resulted in the production of a Gd2O3 net connecting small Au NPs. Thus, the shape of this structure was not suitable for application as a CA. On the other hand, pulsed laser ablation of a Au-Mn target in a solution at pH 11 (adjusted with NaOH) resulted in the synthesis of Au-MnOx NPs, in which a small gold core (4.8 nm) was partially surrounded by a thin MnOx layer (0.3 to 1.3 nm), as demonstrated by HAADF HR-STEM and XPS. This coating showed a local structure similar to that of Mn2O3 and MnO2 references, as determined by XAFS analysis. Although the Au-MnOX NPs had an interesting structure and were stable in solution without the addition of any stabilizing ligands, the high oxidation state of the Mn layer precluded the application of this material as a CA for MRI. Therefore, another strategy, based on the functionalization of Au NPs produced by PLAL with Mn2+-chelates, was pursued. In this study, pure Au NPs were first produced by PLAL in an alkaline solution, and sterically stabilized afterwards, using minimal excess of PEG. At last, DMSA-DTPA complexes were added to the Au NPs@PEG, and Mn2+ ions were chelated by DTPA to produce a dual-modality CA. The functionalization procedure was monitored by DLS and UV-visible spectroscopy to confirm colloidal stability of the compound throughout the procedure. The Au NPs@PEG-Mn2+ had a final hydrodynamic diameter of 36.5 nm and a polydispersity of 0.2. Further characterization of the NPs at diverse stages of functionalization by TEM, XPS, FTIR and 1H NMR evidenced the pristine Au surfaces and the progressive addition of different molecules. Finally, the Au NPs@PEG-Mn2+ were used to enhance the image contrast by both CT and MRI in vitro and in vivo, using a chicken embryo tumour model. In addition, intravenous administration of Au NPs@PEG-Mn2+ in mouse models showed blood retention of the CA for at least 90 minutes, which was in agreement with the formation of a stealth coating around the PLAL-synthetized Au NPs. Hence, during this work, the potential of using PLAL to produce pure Au NPs in water, which can be beneficially used as CAs for CT, was evidenced. Regarding the production of a CT/MRI CA, we demonstrated that the easiest strategy to control the oxidation state of Mn, which is a determinant parameter to enhance MR image contrast, is to functionalize the Au NPs’ surface with Mn2+-chelates, instead of incorporating this element in the target to use for PLAL.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Guay, Daniel
Co-directeurs de mémoire/thèse: Fortin, Marc-André
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: Bimetallic nanoparticles; pulsed laser; ablation; dual imaging; CT; MRI; nanoparticules bimétalliques; imagerie bimodale; agents de contraste
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 20 oct. 2016 19:50
Dernière modification: 20 oct. 2016 19:50
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/4791

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